集成电路制造技术与实践 课件 第5章 离子注入工艺

第5章离子注入工艺5.1离子注入基本原理5.2离子注入设备结构5.3离子注入工艺参数5.4离子注入浓度分布5.5离子注入沟道效应5.6离子注入损伤与退火5.7离子注入工艺应用5.8离子注入工艺仿真本章小结

5.1离子注入基本原理

5.1.1离子注入工艺原理离子注入的原理是：低温下将具有动量的带电离子注入硅晶圆的特定区域，从而实现衬底掺杂的目的。具体来说，离子注入技术首先将杂质原子经过离化变成带电的杂质离子，并使其在电场中加速，离子获得一定能量后，直接轰击到半导体基片内，进入硅片中的离子通过与靶内原子核和电子的碰撞损失能量并随机停止在离表面一定距离的位置上，从而在体内形成一定的杂质分布，起到掺杂作用。

5.1.2离子注入技术特性

离子注入技术的主要优点如下：

(1)注入温度低。离子注入时，衬底温度保持在室温或低于400℃，因此二氧化硅、氮化硅、光刻胶等都可以作为选择掺杂的掩蔽层，而热扩散工艺的掩模必须是能耐高温(800～1000℃)的材料。

(2)横向扩散小。离子注入具有方向性，注入杂质相对于掩模图形以接近垂直的角度入射，横向效应比热扩散小得多，这一特点有利于器件特征尺寸的缩小。

(3)可独立控制浓度分布及结深。注入能量决定离子注入深度(结深)，注入剂量决定注入浓度，因此可实现离子注入浓度分布及结深的独立控制。

(4)可实现均匀掺杂。在离子注入工艺中，注入原子的数目可得到精确控制，通过多次注入相同或不同杂质，可得到各种形式的杂质分布(如突变型的杂质分布)，同一平面内的杂质均匀性可精确控制在1%内。

(5)注入离子纯度高。注入的离子是通过质量分析器选取出来的，被选取的离子纯度高，能量单一，从而保证了掺杂纯度不受杂质源纯度的影响。

(6)不受固溶度限制。离子注入是一个非平衡过程，该过程不受杂质在衬底材料中的固溶度限制。理论上，各种元素均可采用离子注入技术实现掺杂，这就使得掺杂工艺灵活多样，适应性强。设计者可根据需要从几十种元素中挑选合适的N型或P型杂质进行掺杂。

离子注入技术的主要缺点如下：

(1)注入区损伤多，注入后必须高温退火。高能注入离子与硅晶圆衬底原子发生碰撞，硅原子产生位移，引起晶格损伤，单晶硅变为非晶硅。这些损伤可通过高温退火消除，使非晶硅转变为单晶硅。

(2)成本高，注入设备复杂。离子注入设备包含离子的产生、离子的加速、离子的控制等三大基本组成部分，每部分都需要极高的控制精度，这样才能实现各种形式的掺杂杂质分布。

5.2离子注入设备结构

离子注入工艺在离子注入机内进行。离子注入机是半导体工艺中最复杂的设备之一，具体设备组成如图5-2-1所示。图5-2-1离子注入机组成示意图

1.离子源

离子源的主要作用是产生离子注入用的等离子体。等离子体是通过高能电子轰击气体分子产生的，最常用的气体杂质源有B2H6、BF3、PH3

和AsH3

等。产生等离子体的方法有射频(RF)和微波技术等，其中RF技术可在较低温度下产生等离子体，获得高能离子束流。

2.质量分析器

质量分析器又叫磁分析器，主要作用是将离子注入所需的离子筛选出来。带电离子在磁场中受洛伦兹力作用，运动轨迹会发生弯曲。离子运动轨迹主要由离子质量、速度、磁场强度和离子所带电荷决定。将磁场强度调整到与注入离子的轨迹匹配，期望得到的注入离子就能通过质量分析器末端的窄缝，其他离子则被分析器磁铁的侧壁阻挡。

3.加速器

加速器的主要作用是利用强电场，使注入离子获得更大的运动速度，从而使离子获得注入工艺所需的能量。加速器一般采用线性设计，由一系列被介质隔离的电极组成，电极上的负电压将叠加在一起形成总的电压差。总电压越高，离子的速度越大，即能量越大。高能量意味着杂质离子能够被注入硅片更深处，而低能量的杂质离子可以被用于超浅结注入。

4.扫描器

扫描器的主要作用就是采用束流扫描的方式，使离子在整个靶片上均匀注入。扫描方式通常有三种：

一是靶片静止，离子束在X、Y

方向上作电扫描；

二是离子束在Y

方向上作电扫描，靶片在X

方向上作机械运动；

三是离子束静止，靶片在X、Y方向上作机械运动。

一般来说，中低电流注入机采用的是固定靶片的方法，大电流注入机采用的是固定离子束的方法。

5.3离子注入工艺参数

1.注入剂量(Q)注入剂量(Q)是指单位面积的硅片表面上注入的离子数。Q

可由下面的公式计算：其中，I代表束流，单位是

C/s(A)；t

代表注入时间，单位是s；e

代表电子电荷，等于1.6×10-19

C；n

代表离子电荷(比如

B+

等于1)；A

代表注入面积，单位是cm2。

2.注入能量(E)

在集成电路制造中，注入能量由离子注入机加速器的电场决定，电场电压越高，离子的速度越大，则能量越大。因此，离子注入能量E一般用电子电荷与电势差的乘积来表示，单位是千电子伏特(keV)。比如带一个正电荷的离子在电势差为100kV的电场中运动，其能量为100keV。离子注入工艺的注入能量为几千电子伏特到几百千电子伏特，典型的离子注入能量范围为5~500keV。

5.4离子注入浓度分布

5.4.1离子注入机理1963年，林华德(J.Lindhard)、沙夫(Scharff)和希奥特(H.E.Schiott)提出了离子注入的碰撞机理并创立了注入离子在靶内分布的理论，简称LSS理论。根据LSS理论，离子在靶内的能量损失源于两个相互独立的碰撞过程：核碰撞(核阻挡Sn)和电子碰撞(电子阻挡Se)，如图5-4-1所示。图5-4-1离子注入碰撞机理示意图

核碰撞是指注入离子与靶内原子核之间的相互碰撞。由于注入离子与靶原子的质量相近，因此每次碰撞会导致离子发生大角度散射并损失能量。同时，靶内原子核也会因碰撞而获得能量，如果超过束缚能，靶内原子核将离开原晶格位置，形成缺陷，这是离子注入引起损伤的根源之一。

电子碰撞是指注入离子和靶内自由电子及束缚电子之间的碰撞。这种碰撞会瞬时形成电子空穴对。由于电子和注入离子的质量相差很大，因此注入离子在每次碰撞中只会有轻微能量损失且散射角度很小，其动量不会显著改变，引起的晶格损伤也较小。经过多次碰撞后，尽管散射方向是随机的，但注入离子的运动方向基本保持不变。

离子注入的能量损失过程如图5-4-2所示。能量较低、质量较大的离子，主要通过核阻挡损失能量；能量较高、质量较小的离子，主要通过电子阻挡损失能量。离子注入过程中，电子阻挡本领在高能量下起主要作用，如注入刚开始时；而核阻挡本领在低能量下起主要作用，如注入分布的尾端。因此，离子注入在表面处晶格损伤较小，而在射程终点处晶格损伤较大。图5-4-2离子注入能量损失过程示意图

5.4.2离子注入分布

注入靶内的离子在同靶内原子核及电子碰撞的过程中不断损失能量，最后停止在某一位置。任何一个注入离子，在靶内所受到的碰撞都是一个随机过程。如果注入大量的离子，那么这些离子在靶内将按一定统计规律分布。

注入离子在靶内走过的路径之和定义为总射程R。初始能量为E0的离子在靶内的总射程R

可以根据核阻挡本领Sn(E)和电子阻挡本领

Se(E)的积分求得：

总射程R

在离子入射方向(垂直靶片)的投影长度定义为投影射程XP(即离子注入的有效深度)，XP的平均值为平均投影射程RP，反映RP

的分散程度或分散宽度的标准偏差或投影偏差为ΔRP。

求解注入离子的射程和离散微分方程，可得距靶表面x

处的浓度分布为

式中，Nmax=0.4NS/ΔRP

是最大浓度，NS

为注入剂量。式(5-4-2)是高斯函数，故离子

注入浓度分布也称为高斯分布。

杂质浓度N(x)等于衬底浓度时所对应的注入深度定义为结深xj。由式(5-4-2)可得离子注入结深xj

为

式中，NB

为衬底浓度。

如图5-4-3所示，注入离子浓度的分布特点是：

①与扩散浓度分布不同，最大浓度不在表面，而在RP

处；

②在RP

两边，注入离子浓度对称下降，偏差越大，下降越快，在标准偏差ΔRP

处的N(x)下降到峰值浓度的60%左右。图5-4-3注入离子浓度的分布示意图

5.5离子注入沟道效应

若注入离子沿硅单晶的主晶轴方向(<100>、<110>和<111>)注入前进，仅受到电子阻挡，其射程比相同注入离子和相同注入能量的非晶靶远得多，这种现象称为沟道效应。离子注入沟道示意图如图5-5-1所示。图5-5-1离子注入沟道示意图

为了防止沟道效应，工艺上采用了三种主要方法：

①使注入方向偏离主晶轴方向，偏离的典型角度为7°左右；

②在单晶表面淀积介质膜，如SiO2、Si3N4、Al2O3

和光刻胶等；

③在晶体表面制造损伤层，如注入Si、Ge等不影响掺杂浓度的重离子。

5.6离子注入损伤与退火5.6.1离子注入损伤在离子注入过程中，碰撞可能导致靶原子移动并离开晶格位置，形成移位原子(又称为反冲原子)。第一级反冲原子是指与入射离子碰撞而发生移位的原子，与第一级反冲原子碰撞而发生移位的原子则称为第二级反冲原子，以此类推。这种连续碰撞的现象被称为“级联碰撞”。级联碰撞会导致大量靶原子移位，形成大量空位和间隙原子，从而造成晶格损伤。离子注入损伤实验表明，当注入能量E为80keV时，1个B离子可以引起约480个Si原子移位，而1个As离子可以引起约4000个Si原子移位。

当不同能量的离子被注入硅晶圆的有源区时，可能依次出现以下损伤效应：

(1)产生孤立的点缺陷或缺陷群，使本来完美的硅晶体出现损伤。这种情况通常发生在每次离子传递给硅原子的能量接近某一临界值时。

(2)形成局部的非晶区域，特别是在低剂量重离子注入时。当单位体积内的移位原子数接近半导体原子密度时，会形成非晶区域。

(3)随着注入离子引起的损伤的积累，会形成非晶层。随着注入剂量的增加，局部的非晶区域可能会相互重叠，从而形成更大范围的非晶层。

通常，前两种损伤称为简单晶格损伤，第三种损伤称为非晶层形成。简单晶格损伤和非晶层形成的损伤范围不同，其退火原理有所差异，需要采用不同的处理方式。不论是哪种晶格损伤，移位原子的数量通常会超过注入离子的数量。这些移位原子的存在会降低损伤区域中载流子的迁移率，在未经退火处理之前，注入区域将呈现高电阻状态。

5.6.2离子注入退火

注入离子造成的晶格损伤对材料的电学性质会有显著影响。因此，采用离子注入技术进行硅片掺杂时，必须消除晶格损伤，使注入的杂质占据替代位置以实现电激活。将注入离子的硅片在一定温度下进行适当时间的热处理，可以部分或完全消除硅片中的损伤，这种处理过程称为热退火。

在退火过程中，晶体中的点缺陷或其他简单缺陷具有较高的能量，在重新组合过程中会形成新的缺陷，通常为小的点缺陷群或较大的缺陷(如双空位或位错环)。对于低剂量注入离子造成的损伤，通常在较低温度下退火即可消除。例如，对于低剂量注入硅中的Sb+，在约300℃的温度下进行退火即可基本消除缺陷。当剂量增加形成非晶区时，在更高的温度下才能开始分解无序群，但掺杂剂的激活率较低。

非晶区的重新结晶通常需要在550～600℃的温度范围内进行。在重新结晶过程中，载流子激活所需温度低于寿命和迁移率恢复所需温度，这是因为硅原子进入晶格的速度较慢。杂质的激活能一般较低，而硅本身的扩散激活能较高，这意味着即使杂质原子已进入晶格位置，仍可能存在一定数量的硅间隙，这些间隙会影响载流子的寿命和迁移率。

通过对晶格结构进行调整，可实现晶体性能的恢复，退火前后晶格结构的变化如图5-6-1所示。图5-6-1退火前后晶格结构的变化

不同的注入条件会导致不同程度的晶格损伤，而各种器件对电学参数的恢复要求也各不相同。因此，具体的退火条件和方式需根据实际情况和需求而定。

(1)传统热退火。

传统热退火方法是在真空环境或高纯度气体(如氮气、氩气)气氛下的石英炉管中进行的，故又称为炉退火。传统热退火具有工艺流程简单、设备要求低、可批量退火和工艺成本低等优点。

(2)快速退火。

随着集成电路技术的不断发展，对损伤区域的处理、电学参数的恢复以及离子注入电激活率的要求变得越来越严格。传统热退火方法已经难以满足这些要求，因为它无法完全消除缺陷，反而可能引入二次缺陷。此外，在高剂量注入时，电激活率也难以达到理想水平，需要较高的退火温度(至少1000℃)才能完全激活某些杂质。

为了应对这些挑战，人们开发了快速退火(RTP)技术。快速退火的目的是通过升高退火温度或缩短退火时间来实现退火过程，从而提高效率。这种方法可以更有效地处理损伤区域、提高电学参数的恢复程度，并提高离子注入的电激活率，同时减少硅片的翘曲变形和杂质再分布的风险。快速退火和传统热退火后器件有源区的掺杂浓度分布如图5-6-2所示。图5-6-2快速退火和传统热退火后器件有源区的掺杂浓度分布示意图

5.7离子注入工艺应用5.7.1阱注入与器件的源漏区相比，阱的深度更深，浓度也更低。因此，阱区的离子注入工艺通常采用高能量(约为103

keV)和低剂量(约为1013cm-2)。阱注入示意图如图5-7-1所示，离子注入的掩模是光刻胶，SiO2(图中黑色线条所示)的作用是减小沟道效应。图5-7-1阱注入示意

5.7.2阈值电压调整注入

阈值电压对沟道区域的杂质浓度非常敏感，为确保器件能够达到设计要求的性能，调整沟道区域的杂质浓度是必不可少的。通常，增加沟道区域的杂质浓度可以提高器件的阈值电压，同时减小器件的漏电流。

为了实现这一目的，通常会采用中等束流注入机，进行低能量(约为10keV)和低剂量(约为1011cm-2)的离子注入。在PMOS器件中，会注入As或P元素；而在NMOS器件中，则会注入B或BF2

离子。阈值电压调整注入示意图如图5-7-2所示。图5-7-2阈值电压调整注入示意图

5.7.3轻掺杂源漏(LDD)注入

轻掺杂源漏(lightlydopeddrain，LDD)注入是对NMOS和PMOS进行低浓度的离子注入，目的是抑制漏电流引起的势垒降低效应和减少热载流子注入效应。当工艺制程缩小到0.5μm以下时，NMOS和PMOS都需要进行LDD注入。LDD注入示意图如图5-7-3所示。

在进行LDD注入之前，需要注入Ge来形成非晶化层，以消除沟道效应。对于NMOS器件而言，会注入重离子As以形成浅层结构，注入能量为10keV左右，注入剂量约为1014cm-2。对于PMOS器件，由于B原子质量较轻，需要更深的注入深度，因此会注入BF2

重离子团来形成浅层结构，注入能量一般在0到10keV，注入剂